EP0386201B1 - Stufenlos regelbarer antrieb - Google Patents

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EP0386201B1
EP0386201B1 EP89909533A EP89909533A EP0386201B1 EP 0386201 B1 EP0386201 B1 EP 0386201B1 EP 89909533 A EP89909533 A EP 89909533A EP 89909533 A EP89909533 A EP 89909533A EP 0386201 B1 EP0386201 B1 EP 0386201B1
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EP
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shaft
input shaft
worm
gear
drive
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EP89909533A
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Heinz Frey
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Individual
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H37/00—Combinations of mechanical gearings, not provided for in groups F16H1/00 - F16H35/00
    • F16H37/02—Combinations of mechanical gearings, not provided for in groups F16H1/00 - F16H35/00 comprising essentially only toothed or friction gearings
    • F16H37/06—Combinations of mechanical gearings, not provided for in groups F16H1/00 - F16H35/00 comprising essentially only toothed or friction gearings with a plurality of driving or driven shafts; with arrangements for dividing torque between two or more intermediate shafts
    • F16H37/08—Combinations of mechanical gearings, not provided for in groups F16H1/00 - F16H35/00 comprising essentially only toothed or friction gearings with a plurality of driving or driven shafts; with arrangements for dividing torque between two or more intermediate shafts with differential gearing
    • F16H37/0833—Combinations of mechanical gearings, not provided for in groups F16H1/00 - F16H35/00 comprising essentially only toothed or friction gearings with a plurality of driving or driven shafts; with arrangements for dividing torque between two or more intermediate shafts with differential gearing with arrangements for dividing torque between two or more intermediate shafts, i.e. with two or more internal power paths
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H3/00—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion
    • F16H3/44—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion using gears having orbital motion
    • F16H3/72—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion using gears having orbital motion with a secondary drive, e.g. regulating motor, in order to vary speed continuously
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16H3/44—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion using gears having orbital motion
    • F16H3/72—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion using gears having orbital motion with a secondary drive, e.g. regulating motor, in order to vary speed continuously
    • F16H3/724—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion using gears having orbital motion with a secondary drive, e.g. regulating motor, in order to vary speed continuously using external powered electric machines

Definitions

  • the invention relates to a continuously variable drive, comprising a drive motor, a differential gear with a first and a second input shaft and an output shaft, a worm gear with a worm and a worm wheel, and a speed-controllable member, the drive motor with the first input shaft, the worm wheel the second input shaft and the worm is connected to an output shaft of the speed-controllable member.
  • Such a drive is known from DE-OS 24 15 859.
  • a motor drives a cage with radially oriented bevel gears via an angle reduction gear.
  • the bevel gears mesh with two ring gears.
  • One ring gear is connected to an output shaft.
  • a servo motor drives the other ring gear via a worm reduction gear.
  • the worm gear is designed so that it is just self-locking.
  • the speed of the Output shaft can be regulated by varying the speed of the servo motor with relatively little effort.
  • the power consumption of the servo motor is strongly dependent on the speed and the speed control until standstill or even in the direction of rotation can only be achieved with a strong reduction in the angular gear.
  • the maximum output shaft speed is therefore significantly lower than the speed of the drive motor.
  • This known drive is suitable, for example, for winches or cranes, that is to say for applications in which the output torque always acts in the same direction.
  • the present invention has for its object to develop a drive of the type mentioned in such a way that the output shaft can be both driven and braked in both directions of rotation.
  • the drive comprises a second differential gear with a third and fourth input shaft and a second output shaft, that the second and fourth input shaft are driven such that at constant speed of the first and third input shaft the sum of the speeds of the second and fourth input shaft is constant, and that the first output shaft is rotatably coupled to the second output shaft such that one of the two differential gears Output torque on the first output shaft in one direction of rotation and the other differential gear in the opposite direction of rotation with constant direction of rotation and constant direction of an input torque on the first and third input shaft.
  • the 1 consists of a drive motor 1, two differential gears 2, 2 ', each with two input shafts 3, 4; 3 ', 4' and an output shaft 5, 5 ', a worm gear 6, 6' with a worm 7, 7 'and a worm wheel 8, 8' connected to the relevant shaft 4, 4 'and one by a controller 9, 9 'regulated servo motor 10, 10'.
  • the two differential gears 2, 2 ' are planetary gears and have a sun gear 15, 15' sitting on the shaft 3, 3 ', a coaxial ring gear 16 connected to the shaft 4, 4', 16 'and planet wheels 17 distributed over the circumference, only one of which is shown and which mesh with the relevant sun wheel 15, 15' and the ring gear 16, 16 '.
  • the planet gears 17, 17 ' are each rotatably mounted on a planet carrier 18, 18'.
  • the planet carrier 18, 18 ' is rigidly connected to the relevant shaft 5, 5'.
  • the two gears 65, 65 ' have the same number of teeth and mesh with a gear 67 seated on the output shaft 68 of the drive motor 1.
  • the input shafts 3, 3' are therefore driven by the motor 1 in the same direction of rotation and at the same speed.
  • the drive motor 1 has a speed sensor 25 and each servo motor 10, 10 'has a further speed sensor 26, 26'.
  • the output 27, 27 'of the relevant transmitter 26, 26' is connected to the associated controller 9, 9 '.
  • the output 28 of the transmitter 25 is connected as a disturbance via a series resistor 29, 29 'to a potentiometer 30, 30', the other side of which is grounded.
  • the associated tap 31, 31 'of the potentiometer 30, 30' is fed to the controller 9, 9 'in question as a setpoint.
  • the roller 36 can be rotated and locked relative to the actuating rod 35.
  • the taps 31, 31 'can thus be shifted slightly relative to one another.
  • the controllers 9, 9 'can also be fed a signal 33 from another encoder 34 which is connected to the output shaft 5.
  • the encoder 34 can measure the speed or the angle of rotation of the output shaft 5.
  • the output shaft 5 is non-rotatably connected to the output shaft 5 'via a gear set 66, 66'.
  • the two gear wheels 66, 66 ' have the same number of teeth, so that the output shafts 5, 5' rotate in opposite directions.
  • the motor 1 rotates at an essentially constant but unregulated speed.
  • the output shaft 5 is driven with a reduction ratio that is determined by the diameter of the sun gear 15 of the ring gear 16 and the planet gears 17.
  • the drive torque causes a torque on the shaft 4 and thus the worm wheel 8 against the direction of rotation the shaft 3. If the worm 7 is now rotated in the sense that the shaft 4 rotates in the direction of the torque acting on it, the speed of the output shaft 5 is reduced. Since the worm gear 6 is almost self-locking, only a very low torque is transmitted to the worm 7 in the driving sense.
  • the servo motor 10 mainly acts as a brake.
  • the controller 9 regulates the speed of the screw 7 via the servo motor 10 to the setpoint entered on the link 32. If the output torque on the shaft 5 is increased, the torque to be applied by the motor 1 also increases immediately. Since this motor 1 is not regulated, the rotational speed of the shaft 3 also decreases. This change is detected by the encoder 25 and input to the controller 9 via the potentiometer 30 and the tap 31, so that the worm 7 also rotates more slowly.
  • the board disturbance variable is designed so that the speed of the output shaft 5 is independent of the size of the output torque.
  • the servo motor 10 rotates so fast that the sun gear 15 and the ring gear 16 have the same peripheral speeds, the shaft 5 is stationary. If the ring gear 16 rotates faster, the shaft 5 runs backwards.
  • the gear ratios are designed so that the shaft 5 comes to a standstill at half the maximum speed of the servo motor 10. The shaft 5 thus has the same maximum speed in both directions of rotation.
  • the power flow runs via the gear set 67, 65 ', the second differential gear 2' and the gear pair 66, 66 'to the output shaft 5.
  • the two differential gears 2, 2' and the two Worm gear 6, 6 ' are constructed identically.
  • the drive described enables a stepless regulation of the speed of the output shaft 5 in both directions of rotation with both driving and braking torque on the output shaft 5.
  • the drive is suitable, for example, for lifts with counterweights, for robots or as a vehicle drive.
  • Such stop motors have a brake that blocks the motor shaft when the power supply is switched off.
  • the controllers 9, 9 'slowing the servomotors 10, 10' synchronously with the speed drop of the shaft 68, so that the shaft 5 stops.
  • the controllers 9, 9 'with the servomotors 10, 10' are first put into operation and then the motor 1 is switched on. Due to the feedforward control, the servo motors 9, 9 'run up synchronously with the shaft 3.
  • the diameters of the worms 7, 7 ' are at least half as large, preferably at least as large as the diameters of the worm wheels 8, 8'. This leads to an unusually small reduction for worm gears. A high speed of the shafts 4, 4 'can therefore be achieved for a given maximum speed of the servomotors 10, 10'.
  • the drive described has a very high dynamic because only a change in the speed of the shaft 5, the speed of the shafts 4, 4 ', the worm gear 6, 6' and the servo motors 10, 10 'must be changed, which have relatively small moments of inertia.
  • the acceleration and braking capacity can even be improved here if a flywheel 40 is placed on the shaft 68.
  • the torque on the motor shaft 68 is proportional to the torque on the output shaft 5 regardless of its speed.
  • the output torque can therefore be measured directly by the current consumption of the motor 1. This is particularly useful when used in cranes and lifts and for robots for overload protection.
  • the efficiency also drops.
  • the output shaft 5 is at a standstill, it reaches the value zero.
  • the excess power is not heated up by the electronics, but instead results in the transmission oil heating up. For this reason, the waste heat can be removed easily, reliably and cheaply, for example by an oil cooler.
  • heat dissipation in power electronics represents a considerable problem of stepless drives with high-performance servo motors, including a safety risk.
  • a freewheel 41, 41' can be installed in each of the two input shafts 3, 3 ', which is indicated by dashed lines in FIG. 1.
  • the two motors 1a, 1b rotate constantly with the same direction of rotation, only one of them being loaded, depending on the direction of rotation of the torque on the output shaft 5.
  • the servomotors 10 can also be used electrically, mechanically, pneumatically or hydraulically controllable brakes.
  • the speed-adjustable elements 10a, 10a ' are designed here as friction wheel gears, comprising two parallel, rotatable disks 50, 51 which are radially offset from one another. 50 ', 51' and a friction wheel 52, 52 '.
  • the friction wheel 52, 52 ' rolls on the two disks 50, 51; 50 ', 51' and is rotatably mounted on a rod 53, 53 '.
  • the lifting element 56 acts on a double-armed lever 56a, at the free ends of which the two rods 53, 53 'are articulated.
  • the length of the rod 53 'can be adjusted by means of an adjusting member can be set, which is shown symbolically in FIG. 2 as turnbuckle 63.
  • the disks 50, 50 ' are each via a gear 57, 57' and a toothed belt 58, 58 'connected to the input shafts 3, 3'.
  • the disks 51 are via two bevel gears 59, 60; 59 ', 60' connected to the shafts 19, 19 'of the screws 7, 7'.
  • the rods 53, 53 ' By moving the rods 53, 53 ', the translation of the friction gear 10a, 10a' can be regulated continuously.
  • the rods 53, 53 ' are adjusted by hand, the lifting element 56 comprising, for example, a crank with a nut, into which a threaded rod articulated on the lever 56a engages.
  • the lifting element 56 is an electrically, hydraulically or pneumatically actuated servomotor which is controlled by a controller 61.
  • the controller 61 has a setpoint input 62.
  • the actual value 33 is in turn supplied by the transmitter 34, which measures the angle and / or the angular velocity of the output shaft 5.
  • the drive motor 1 can also be connected to the bevel gear 71, which is shown in broken lines in FIG. 2.
  • friction gear 50, 51, 52; 50 ', 51', 52 ' are also suitable for other continuously variable mechanical gears, such as variators.
  • the embodiment according to FIG. 2 works analogously to that according to FIG. 1.
  • the engine 1 can also be an internal combustion engine or a steam or gas turbine.
  • it may also be expedient to install a freewheel in each of the two input shafts 3, 3 ′ analogous to the embodiment according to FIG. 1.
  • the embodiment according to FIG. 3 is analogous to that according to FIG. 1, the same reference numerals being used for the same parts.
  • the embodiment according to FIG. 3 differs from that according to FIG. 1 in that there is only a single worm gear 6 and a single servo motor 6 and that the two input shafts 4, 4 'are connected to one another via a third differential gear 80.
  • the differential gear 80 is also designed as a planetary gear with a sun gear 81, a ring gear 82 and planet gears 83, which are rotatably mounted on a planet carrier 84.
  • the sun gear 81 is connected to a coaxial gear 85, which meshes with a gear 87 connected to the shaft 4 via an intermediate gear 86.
  • the ring gear 82 carries a gear 88 which meshes via a further intermediate gear 86 with a gear 89 seated on the shaft 4 '.
  • the planet carrier 84 is rigidly connected to the motor shaft 68.
  • the Gear ratios of the differential gear 80 and the gear sets 85, 87 and 88, 89 are designed such that the constant speed of the motor shaft 68, the sum of the speeds of the two input shafts 4, 4 'is constant.
  • freewheels 41, 41 ' can be installed in the two input shafts 3, 3'.
  • the gear wheels 66, 66 ' mesh directly with one another or via an even number of intermediate wheels 90, 90'.
  • the torque is transmitted from the motor shaft, depending on the direction of rotation of the output torque, to the output shaft 5 either via the differential gear 2 or via the differential gear 2 '.
  • the worm gear 6 is loaded in the same sense in both cases and the servo motor 10 acts as a brake in both cases with the same direction of rotation.
  • the additional differential gear 80 ensures exact synchronization of the two input shafts 4, 4 '. The regulation is also simplified.
  • the embodiment according to FIG. 4 corresponds to the embodiment according to FIG. 2 with the difference that the second speed-controllable element 10a 'is omitted and replaced by an additional differential gear 75.
  • the differential gear 75 can be designed, for example, in accordance with the rear axle differential of an automobile.
  • the input shaft 76 of the Differential gear 75 is rotatably connected to the bevel gear 71.
  • One output shaft 77 is rigidly connected to the bevel gear 59, the other output shaft 77 'to the bevel gear 59'.
  • the sum of the speeds of the two screws 7, 7 'and thus of the two input shafts 4, 4' is constant.
  • the embodiment according to FIG. 4 has the advantage over the embodiment according to FIG. 3 that only very small torques have to be transmitted via the additional differential gear 75 and that this additional differential gear can therefore be built easily and inexpensively.
  • the embodiment according to FIG. 3 has the advantage that the second worm gear 6 'is also omitted.

Abstract

Der Antrieb umfasst einen Antriebsmotor (1), zwei Differentialgetriebe (2, 2'), zwei Schneckengetriebe (6, 6'), zwei Servomotoren (10, 10') sowie zwei Regler (9, 9'). Der Antriebsmotor (1) ist mit je einer Eingangswelle (3, 3'), die Schneckenräder (8, 8') sind mit je einer weiteren Eingangswelle (4, 4') der Differentialgetriebe (2, 2') und die Schnecken (7, 7') mit Ausgangswellen (19, 19') der Servomotoren (10, 10') verbunden. Die Abtriebswellen (5, 5') der Differentialgetriebe (2, 2') sind derart miteinander gekoppelt, dass sie gegenläufig drehen. Die Regler (9, 9') steuern die Servomotoren (10, 10') derart, dass bei konstanter Drehzahl des Antriebsmotors (1) die Summe der Drehzahlen der Ausgangswellen (19, 19') konstant ist. Durch diese Ausbildung kann bei gleichbleibender Drehrichtung und gleichbleibendem Drehsinn des Antriebsdrehmomentes auf den Antriebsmotor die Abtriebswelle (5) in beiden Drehrichtungen drehen und das Abtriebsdrehmoment in beiden Richtungen wirken. Der zweite Servomotor (10') und allenfalls das zweite Schneckengetriebe (6') kann auch durch ein zusätzliches Differentialgetriebe ersetzt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen stufenlos regelbaren Antrieb, umfassend einen Antriebsmotor, ein Differentialgetriebe mit einer ersten und einer zweiten Eingangswelle und einer Abtriebswelle, ein Schneckengetriebe mit einer Schnecke und einem Schneckenrad, sowie ein drehzahlregelbares Glied, wobei der Antriebsmotor mit der ersten Eingangswelle, das Schneckenrad mit der zweiten Eingangswelle und die Schnecke mit einer Ausgangswelle des drehzahlregelbaren Gliedes verbunden ist.
  • Ein solcher Antrieb ist aus der DE-OS 24 15 859 bekannt. Bei diesem bekannten Antrieb treibt ein Motor über ein Winkelreduktionsgetriebe einen Käfig mit radial orientierten Kegelrädern. Die Kegelräder stehen im Eingriff mit zwei Tellerrädern. Das eine Tellerrad ist mit einer Abtriebswelle verbunden. Ein Servomotor treibt über ein Schneckenreduktionsgetriebe das andere Tellerrad. Das Schneckengetriebe ist so ausgelegt, dass es noch gerade selbsthemmend ist. Bei konstanter Drehzahl des Antriebsmotors kann die Drehzahl der Abtriebswelle durch Variation der Drehzahl des Servomotors mit relativ geringem Leistungsaufwand geregelt werden. Allerdings ist der Leistungsaufwand des Servomotors stark drehzahlabhängig und die Drehzahlregelung bis zum Stillstand oder gar in die Drehrichtungsumkehr gelingt nur mit einer starken Untersetzung im Winkelgetriebe. Die maximale Abtriebswellendrehzahl ist also wesentlich geringer als die Drehzahl des Antriebsmotors.
  • Dieser bekannte Antrieb eignet sich beispielsweise für Winden oder Krane, also für Anwendungsfälle, bei welchen das Abtriebsdrehmoment stets in der gleichem Richtung wirkt.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antrieb der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass die Abtriebswelle in beiden Drehrichtungen sowohl angetrieben als auch abgebremst werden kann.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Antrieb ein zweites Differentialgetriebe mit einer dritten und vierten Eingangswelle und einer zweiten Abtriebswelle umfasst, dass die zweite und vierte Eingangswelle derart angetrieben sind, dass bei konstanter Drehzahl der ersten und dritten Eingangswelle die Summe der Drehzahlen der zweiten und vierten Eingangswelle konstant ist, und dass die erste Abtriebswelle drehfest mit der zweiten Abtriebswelle derart gekoppelt ist, dass eines der beiden Differentialgetriebe ein Abtriebsdrehmoment auf der ersten Abtriebswelle im einen Drehsinn und das andere Differentialgetriebe im entgegengesetzten Drehsinn bei gleichbleibender Drehrichtung und gleichbleibender Richtung eines Eingangsdrehmomentes auf die erste und dritte Eingangswelle liefert.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:
    • Fig. 1 schematisch eine erste Ausführungsform, und
    • Fig. 2-4 drei weitere Ausführungsformen.
  • Der Antrieb nach Fig. 1 besteht aus einem Antriebsmotor 1, zwei Differentialgetrieben 2, 2' mit je zwei Eingangswellen 3, 4; 3', 4' und einer Abtriebswelle 5, 5', einem Schneckengetriebe 6, 6' mit einer Schnecke 7, 7' und einem mit der betreffenden Welle 4, 4' verbundenen Schneckenrad 8, 8' sowie einem durch einen Regler 9, 9' geregelten Servomotor 10, 10'. Die beiden Differentialgetriebe 2, 2' sind Planetengetriebe und haben ein auf der Welle 3, 3' sitzendes Sonnenrad 15, 15', einen koaxialen mit der Welle 4, 4' verbundenen Zahnkranz 16, 16' sowie über den Umfang verteilte Planetenräder 17, von denen nur je eines dargestellt ist und die mit dem betreffenden Sonnenrad 15, 15' und dem Zahnkranz 16, 16' kämmen. Die Planetenräder 17, 17' sind auf je einem Planetenträger 18, 18' drehbar gelagert. Der Planetenträger 18, 18' ist starr mit der betreffenden Welle 5, 5' verbunden. Auf den Eingangswellen 3, 3' sitzt je ein Zahnrad 65, 65'. Die beiden Zahnräder 65, 65' haben gleiche Zähnezahl und kämmen mit einem auf der Abtriebswelle 68 des Antriebsmotors 1 sitzenden Zahnrad 67. Die Eingangswellen 3, 3' werden daher durch den Motor 1 in gleicher Drehrichtung und mit gleicher Drehzahl angetrieben.
  • Die Schnecke 7, 7' sitzt auf der Ausgangswelle 19, 19' des betreffenden Servomotors 10, 10'. Die Zähne der Schnecken 7, 7' haben eine Steigung zwischen ca. 5° und ca. 9°, vorzugsweise etwa 7°. Der Antriebsmotor 1 hat einen Drehzahlgeber 25 und jeder Servomotor 10, 10' einen weiteren Drehzahlgeber 26, 26'. Der Ausgang 27, 27' des betreffenden Gebers 26, 26' wird auf den zugehörigen Regler 9, 9' aufgeschaltet. Der Ausgang 28 des Gebers 25 ist als Störgrösse über je einen Vorwiderstand 29, 29' an je ein Potentiometer 30, 30' angeschlossen, dessen andere Seite geerdet ist. Der zugehörige Abgriff 31, 31' des Potentiometers 30, 30' wird dem betreffenden Regler 9, 9' als Sollwert zugeführt. Im dargestellten Beispiel sind die Abgriffe 31, 31' durch je ein manuell betätigtes Glied 32, 32' einstellbar. Die Glieder 32, 32' sind über eine Rolle 36 mit einer gemeinsamen Betätigungsstange 35 verbunden. Die Rolle 36 kann gegenüber der Betätigungsstange 35 verdreht und arretiert werden. Damit können die Abgriffe 31, 31' etwas gegeneinander verschoben werden. Die beiden Potentiometer 30, 30' sind gegensinnig geschaltet, so dass beim Verstellen der Betätigungsstange 35 der eine Servomotor 10 schneller, der andere 10' dagegen langsamer läuft. Zusätzlich oder anstelle der Störgrössenaufschaltung über den Geber 25 kann den Reglern 9, 9' noch ein Signal 33 eines weiteren Gebers 34 eingegeben werden, der mit der Abtriebswelle 5 verbunden ist. Je nach Art der gewünschten Regelung kann der Geber 34 die Drehzahl oder den Drehwinkel der Abtriebswelle 5 messen.
  • Die Abtriebswelle 5 ist über einen Zahnradsatz 66, 66' mit der Abtriebswelle 5' drehfest verbunden. Die beiden Zahnräder 66, 66' haben gleiche Zähnezahl, so dass die Abtriebswellen 5, 5' gegenläufig drehen.
  • Im Betrieb dreht der Motor 1 mit einer im wesentlichen konstanten, aber ungeregelten Drehzahl. Solange die Welle 4 stillsteht, wird die Abtriebswelle 5 mit einem Untersetzungsverhältnis angetrieben, dass durch die Durchmesser des Sonnenrades 15 des Zahnkranzes 16 und der Planetenräder 17 bestimmt ist. Das Antriebsdrehmoment bewirkt ein Drehmoment auf die Welle 4 und somit das Schneckenrad 8 entgegen der Drehrichtung der Welle 3. Wird nun die Schnecke 7 in dem Sinn gedreht, dass die Welle 4 in Richtung des auf sie wirkenden Drehmomentes umläuft, so wird die Drehzahl der Abtriebswelle 5 reduziert. Da das Schneckengetriebe 6 beinahe selbsthemmend ist, wird dabei nur ein sehr geringes Drehmoment im antreibenden Sinne auf die Schnecke 7 übertragen. Der Servomotor 10 wirkt vorwiegend als Bremse. Der Regler 9 regelt die Drehzahl der Schnecke 7 über den Servomotor 10 auf den am Glied 32 eingegebenen Sollwert. Wird das Abtriebsdrehmoment an der Welle 5 erhöht, so erhöht sich unmittelbar auch das vom Motor 1 aufzubringende Drehmoment. Da dieser Motor 1 nicht geregelt ist, sinkt damit auch die Drehzahl der Welle 3. Durch den Geber 25 wird diese Aenderung erfasst und über das Potentiometer 30 und den Abgriff 31 dem Regler 9 eingegeben, so dass auch die Schnecke 7 langsamer dreht. Diele Störgrössenaufschaltung ist so ausgelegt, dass die Drehzahl der Abtriebswelle 5 unabhängig ist von der Grösse des Abtriebsdrehmomentes. Wenn der Servomotor 10 so schnell dreht, dass das Sonnenrad 15 und der Zahnkranz 16 gleiche Umfangsgeschwindigkeiten haben, so steht die Welle 5 still. Dreht der Zahnkranz 16 schneller, so läuft die Welle 5 rückwärts. Die Getriebeverhältnisse sind so ausgelegt, dass der Stillstand der Welle 5 bei der Hälfte der Maximaldrehzahl des Servomotors 10 erreicht ist. Die Welle 5 hat damit in beiden Drehrichtungen die gleiche Maximaldrehzahl.
  • Wenn das Abtriebsdrehmoment auf die Welle 5 im entgegengesetzten Drehsinn wirkt, so verläuft der Kraftfluss über den Zahnradsatz 67, 65', das zweite Differentialgetriebe 2' und das Zahnradpaar 66, 66' zur Abtriebswelle 5. Die beiden Differentialgetriebe 2, 2' und die beiden Schneckengetriebe 6, 6' sind identisch aufgebaut. Die Regler 9, 9' und die Potentiometer 30, 30' mit den Abgriffen 31, 31' sind so geschaltet, dass die Summe der Drehzahlen der beiden Servomotoren 10, 10' über den gesamten Verstellbereich konstant ist. Dazu sind die beiden Potentiometer 30, 30' seitenverkehrt angeschlossen, so dass die Summe der Signale an den beiden Abgriffen 31, 31' konstant bleibt. Diese Sollwertsumme kann durch Verstellen der Rolle 36 relativ zur Betätigungsstange 35 fein eingestellt werden.
  • Der beschriebene Antrieb ermöglicht eine stufenlose Regelung der Drehzahl der Abtriebswelle 5 in beiden Drehrichtungen sowohl bei antreibendem als auch bei bremsendem Drehmoment auf der Abtriebswelle 5. Der Antrieb eignet sich beispielsweise für Aufzüge mit Gegengewichten, für Roboter oder als Fahrzeugantrieb. Insbesondere bei der Anwendung in Aufzügen ist es zweckmässig, den Antriebsmotor 1 und mindestens einen der Servomotoren 10, 10' als Stoppmotoren auszubilden. Solche Stoppmotoren haben eine Bremse, die beim Abschalten der Stromzufuhr die Motorwelle blockiert. Beim Abschalten wird zunächst die Drehzahl der Abtriebswelle 5 auf Null reduziert und der Antriebsmotor 1 abgeschaltet, wobei die Regler 9, 9' die Servomotoren 10, 10' synchron mit dem Drehzahlabfall der Welle 68 verlangsamen, so dass die Welle 5 stehen bleibt. Beim Einschalten werden umgekehrt zuerst die Regler 9, 9' mit den Servomotoren 10, 10' in Betrieb gesetzt und hierauf der Motor 1 eingeschaltet. Durch die Störgrössenaufschaltung laufen die Servomotoren 9, 9' synchron mit der Welle 3 hoch. Um einen grossen Drehzahlbereich der Abtriebswelle 5 zu erreichen, sind die Durchmesser der Schnecken 7, 7' mindestens halb so gross, vorzugsweise mindestens so gross wie die Durchmesser der Schneckenräder 8, 8'. Dadurch wird eine für Schneckengetriebe ungewöhnlich kleine Untersetzung erreicht. Für eine gegebene Maximaldrehzahl der Servomotoren 10, 10' kann daher eine hohe Drehzahl der Wellen 4, 4' erreicht werden. Der beschriebene Antrieb hat eine sehr hohe Dynamik, weil für eine Drehzahländerung der Welle 5 nur die Drehzahl der Wellen 4, 4', der Schneckengetriebe 6, 6' und der Servomotoren 10, 10' geändert werden muss, welche relativ kleine Massenträgheitsmomente haben. Im Gegensatz zu Leistungsservomotoren kann das Beschleunigungs- und Bremsvermögen hier sogar noch verbessert werden, wenn auf die Welle 68 ein Schwungrad 40 aufgesetzt wird.
  • Beim beschriebenen Antrieb ist das Drehmoment an der Motorenwelle 68 proportional zum Drehmoment an der Abtriebswelle 5 unabhängig von deren Drehzahl. Das Abtriebsdrehmoment kann deshalb unmittelbar durch die Stromaufnahme des Motors 1 gemessen werden. Dies ist insbesondere bei der Anwendung in Kranen und Aufzügen und bei Robotern zur Ueberlastsicherung nützlich. Mit abnehmender Drehzahl der Abtriebswelle 5 sinkt auch der Wirkungsgrad. Beim Stillstand der Abtriebswelle 5 erreicht dieser den Wert Null. Dies ist auch so bei Leistungs-Servomotoren. Im Unterschied zu diesen wird die überschüssige Leistung nicht durch die Elektronik verheizt, sondern sie wirkt sich in einer Erwärmung des Getriebeöls aus. Die Abwärme kann aus diesem Grund einfach, betriebssicher und billig, z.B. durch einen Oelkühler abgeführt werden. Die Wärmeabfuhr bei der Leistungselektronik stellt demgegenüber ein erhebliches Problem von stufenlosen Antrieben mit Hochleistungsservomotoren dar, unter anderem auch ein Sicherheitsrisiko.
  • Um die Anforderungen an die exakte Synchronisierung der beiden Servomotoren 10, 10' zu reduzieren, kann in den beiden Eingangswellen 3, 3' je ein Freilauf 41, 41' eingebaut werden, was in Fig. 1 gestrichelt angedeutet ist. Alternativ dazu ist es auch möglich, die beiden Eingangswellen 3, 3' durch je einen separaten Antriebsmotor 1a, 1b anzutreiben, wobei die Zahnräder 65, 65', 67 entfallen. Die beiden Motoren 1a, 1b drehen konstant mit gleicher Drehrichtung, wobei nur einer von Ihnen belastet ist, je nach dem Drehsinn des Drehmomentes auf der Abtriebswelle 5. Statt der Servomotoren 10 können auch elektrisch, mechanisch, pneumatisch oder hydraulisch regelbare Bremsen eingesetzt werden.
  • Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 sind für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet, so dass sich eine detaillierte Beschreibung der Getriebe 2, 2' und der Schneckengetriebe 6, 6' erübrigt. Die Drehzahlregelbaren Glieder 10a, 10a' sind hier als Reibradgetriebe ausgebildet, umfassend zwei parallele radial gegeneinander versetzte, drehbare Scheiben 50, 51; 50', 51' sowie ein Reibrad 52, 52'. Das Reibrad 52, 52' rollt auf den beiden Scheiben 50, 51; 50', 51' ab und ist auf einer Stange 53, 53' drehbar gelagert. Die Stangen 53, 53' sind senkrecht zu den beiden Wellen 54, 55; 54', 55' der Scheiben 50, 51; 50', 51' orientiert. Sie sind mittels eines gemeinsamen Hubelementes 56 längs ihrer Achse verschiebbar. Das Hubelement 56 wirkt auf einen doppelarmigen Hebel 56a, an dessen freien Enden die beiden Stangen 53, 53' angelenkt sind. Die Reibradgetriebe 10a, 10a' sind so ausgelegt, dass bei konstanter Drehzahl der Eingangswelle 3 die Summe der Drehzahlen der beiden Wellen 55, 55' konstant ist, unabhängig vom Hub des Hubelementes 56. Zur Justierung kann die Länge der Stange 53' mittels eines Einstellgliedes eingestellt werden, das in Fig. 2 symbolisch als Spannschloss 63 dargestellt ist.
  • Die Scheiben 50, 50' sind über je ein Zahnrad 57, 57' und einen Zahnriemen 58, 58' mit den Eingangswellen 3, 3' verbunden. Die Scheiben 51 sind über zwei Kegelräder 59, 60; 59', 60' mit den Wellen 19, 19' der Schnecken 7, 7' verbunden. Durch Verschieben der Stangen 53, 53' kann die Uebersetzung der Reibradgetriebe 10a, 10a' stufenlos geregelt werden. Im einfachsten Fall erfolgt die Verstellung der Stangen 53, 53' von Hand, wobei das Hubelement 56, z.B. eine Kurbel mit einer Mutter umfasst, in welche eine am Hebel 56a angelenkte Gewindestange eingreift. Im dargestellten Fall ist das Hubelement 56 hingegen ein elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch betätigter Stellmotor, der von einem Regler 61 angesteuert ist. Der Regler 61 hat einen Sollwerteingang 62. Der Istwert 33 wird wiederum durch den Geber 34 geliefert, der den Winkel und/oder die Winkelgeschwindigkeit der Abtriebswelle 5 misst.
  • Auf den beiden Eingangswellen 3, 3' sitzt je ein Kegelrad 70, 70'. Die beiden Kegelräder 70, 70' kämmen mit einem weiteren, gemeinsamen Kegelrad 71. Durch diese Ausbildung haben die beiden Eingangswellen 3, 3' entgegengesetzt gleiche Drehzahlen. Der Antriebsmotor 1 kann auch mit dem Kegelrad 71 verbunden sein, was in Fig. 2 gestrichelt dargestellt ist.
  • Statt der Reibradgetriebe 50, 51, 52; 50', 51', 52' eignen sich auch andere stufenlos regelbare, mechanische Getriebe, z.B. Variatoren.
  • Im Betrieb arbeitet die Ausführungsform nach Fig. 2 analog jener nach Fig. 1. Auch hier wird über die stufenlosen Getriebe 10a, 10a' bloss eine sehr geringe Leistung übertragen, so dass diese leicht und preiswert hergestellt werden können und eine hohe Dynamik aufweisen. Der Motor 1 kann hier auch ein Verbrennungsmotor oder eine Dampf- oder Gasturbine sein. Auch bei der Ausführungsform nach Fig. 2 kann es zweckmässig sein, in den beiden Eingangswellen 3, 3' je einen Freilauf einzubauen analog der Ausführungsform nach Fig. 1.
  • Die Ausführungsform nach Fig. 3 ist analog jener nach Fig. 1, wobei wiederum für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet sind. Die Ausführungsform nach Fig. 3 unterscheidet sich von jener nach Fig. 1 dadurch, dass bloss ein einziges Schneckengetriebe 6 und ein einziger Servomotor 6 vorhanden sind und dass die beiden Eingangswellen 4, 4' über ein drittes Differentialgetriebe 80 miteinander verbunden sind. Das Differentialgetriebe 80 ist ebenfalls als Planetengetriebe ausgebildet mit einem Sonnenrad 81, einem Zahnkranz 82 und Planetenrädern 83, die auf einem Planetenträger 84 drehbar gelagert sind. Das Sonnenrad 81 ist mit einem koaxialen Zahnrad 85 verbunden, das über ein Zwischenrad 86 mit einem mit der Welle 4 verbundenen Zahnrad 87 kämmt. Der Zahnkranz 82 trägt ein Zahnrad 88, das über ein weiteres Zwischenrad 86 mit einem auf der Welle 4' sitzenden Zahnrad 89 kämmt. Der Planetenträger 84 ist starr mit der Motorenwelle 68 verbunden. Die Getriebeverhältnisse des Differentialgetriebes 80 und der Zahnradsätze 85, 87 sowie 88, 89 sind so ausgelegt, dass bei konstanter Drehzahl der Motorenwelle 68 die Summe der Drehzahlen der beiden Eingangswellen 4, 4' konstant ist. Auch hier können in den beiden Eingangswellen 3, 3' Freiläufe 41, 41' eingebaut sein. Die Zahnräder 66, 66' können direkt miteinander oder über eine gerade Anzahl von Zwischenrädern 90, 90' kämmen.
  • Auch bei der Ausführungsform nach Fig. 3 wird das Drehmoment von der Motorenwelle je nach Drehsinn des Abtriebsdrehmomentes auf der Abtriebswelle 5 entweder über das Differentialgetriebe 2 oder über das Differentialgetriebe 2' übertragen. Das Schneckengetriebe 6 ist in beiden Fällen im gleichen Sinn belastet und der Servomotor 10 wirkt in beiden Fällen bei gleicher Drehrichtung als Bremse. Durch das zusätzliche Differentialgetriebe 80 wird eine exakte Synchronisation der beiden Eingangswellen 4, 4' erreicht. Ausserdem wird die Regelung vereinfacht.
  • Die Ausführungsform nach Fig. 4 entspricht der Ausführungsform nach Fig. 2 mit dem Unterschied, dass das zweite drehzahlregelbare Glied 10a' weggelassen und durch ein zusätzliches Differentialgetriebe 75 ersetzt ist. Das Differentialgetriebe 75 kann z.B. entsprechend dem Hinterachs-Differential eines Automobils ausgebildet sein. Die Eingangswelle 76 des Differentialgetriebes 75 ist drehfest mit dem Kegelrad 71 verbunden. Die eine Ausgangswelle 77 ist starr mit dem Kegelrad 59, die andere Ausgangswelle 77' mit dem Kegelrad 59' verbunden. Auch bei dieser Ausführungsform ist bei konstanter Drehzahl des Antriebsmotors 1 die Summe der Drehzahlen der beiden Schnecken 7, 7' und damit der beiden Eingangswellen 4, 4' konstant.
  • Die Ausführungsform nach Fig. 4 hat gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 3 den Vorteil, dass über das zusätzliche Differentialgetriebe 75 nur sehr kleine Drehmomente übertragen werden müssen und dass deshalb dieses zusätzliche Differentialgetriebe leicht und preiswert gebaut werden kann. Die Ausführungsform nach Fig. 3 hat demgegenüber den Vorteil, dass auch das zweite Schneckengetriebe 6' entfällt.

Claims (10)

  1. Stufenlos regelbarer Antrieb umfassend einen Antriebsmotor (1), ein erstes Differentialgetriebe (2) mit einer ersten und einer zweiten Eingangswelle (3, 4) und einer ersten Abtriebswelle (5), ein erstes Schneckengetriebe (6) mit einer ersten Schnecke (7) und einem ersten Schneckenrad (8), sowie ein erstes drehzahlregelbares Glied (10), wobei der Antriebsmotor (1) mit der ersten Eingangswelle (3), das erste Schneckenrad mit der zweiten Eingangswelle (4) und die erste Schnecke (7) mit einer Ausgangswelle (19) des drehzahlregelbaren Gliedes (10) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb ein zweites Differentialgetriebe (2') mit einer dritten und vierten Eingangswelle (3', 4') und einer zweiten Abtriebswelle (5') umfasst, dass die zweite und vierte Eingangwelle (4, 4') derart angetrieben sind, dass bei konstanter Drehzahl der ersten und dritten Eingangswelle (3, 3') die Summe der Drehzahlen der zweiten und vierten Eingangswelle (4, 4') konstant ist, und dass die erste Abtriebswelle (5) drehfest mit der zweiten Abtriebswelle (5') derart gekoppelt ist, dass eines der beiden Differentialgetriebe (2, 2') ein Abtriebsdrehmoment auf der ersten Abtriebswelle (5) im einen Drehsinn und das andere Differentialgetriebe (2', 2) im entgegengesetzten Drehsinn bei gleichbleibender Drehrichtung und gleichbleibender Richtung eines Eingangsdrehmomentes auf die erste und dritte Eingangswelle (3, 3') überträgt.
  2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Eingangswelle (3) drehfest mit der dritten Eingangswelle (3') gekoppelt ist.
  3. Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er zusätzlich ein zweites Schneckengetriebe (6') mit einer zweiten Schnecke (7') und einem zweiten drehfest mit der vierten Eingangswelle (4') verbundenen Schneckenrad (8') umfasst.
  4. Antrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schnecke (7') mit einer Ausgangswelle (19') eines zweiten drehzahlregelbaren Gliedes (10') verbunden ist, wobei die beiden drehzahlregelbaren Glieder (10, 10') derart geregelt sind, dass bei konstanter Drehzahl der ersten Eingangswelle die Summe der Drehzahlen ihrer Ausgangswellen (19, 19') konstant ist.
  5. Antrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Drehzahlen der Ausgangswellen (19, 19') einstellbar ist.
  6. Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (1) mit einer Antriebswelle eines dritten Differentialgetriebes (80) verbunden ist, dessen eines Abtriebsglied (85) drehfest mit der zweiten Eingangswelle (4), und dessen anderes Abtriebsglied (88) drehfest mit der vierten Eingangswelle (4') verbunden ist.
  7. Antrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (1) mit einer Antriebswelle (76) eines dritten Differentialgetriebes (75) verbunden ist, dessen eines Abtriebsglied (77) mit der ersten Schnecke (7) und dessen anderes Abtriebsglied (77') mit der zweiten Schnecke (7') verbunden ist.
  8. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das drehzahlregelbare Glied (10) ein Servomotor ist.
  9. Antrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (1) und der Servomotor (10) als Stoppmotoren ausgebildet sind.
  10. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Eingangswelle (3) ein Schwungrad gekoppelt ist.
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